Suprasolidität

Die Suprasolidität ist ein quantenmechanischer Zustand der Materie, der gleichzeitig sowohl Eigenschaften fester als auch suprafluider Körper zeigt. Suprasolidität kann bei sehr hohem Druck und sehr tiefen Temperaturen beobachtet werden, wenn quantenmechanische Phänomene zum Tragen kommen. Dieser Zustand wurde bereits 1969 sowohl von David J. Thouless als auch von Alexander Andrejew und Jewgeni Michailowitsch Lifschitz vorausgesagt.^[1][2] Ein erster experimenteller Nachweis des suprasoliden Zustands gelang Eun-Seong Kim und Moses H. W. Chan am Beispiel von ultrakaltem festem Helium-4 (⁴He).^[3][4]

Eigenschaften

Schematischer Aufbau eines Torsionsoszillators zum Nachweis der Suprasolidität

Die Experimente von Eun-Seong Kim und Moses H. W. Chan an der Pennsylvania State University mit ⁴He bei Temperaturen unterhalb von 200 mK mit Hilfe eines Torsionsoszillators lieferten einen ersten experimentellen Hinweis auf die Existenz der Suprasolidität. In diesem Experiment bewegte sich ⁴He bei Abkühlung auf unterhalb von etwa 200 mK nicht mehr wie ein klassischer Feststoff, sondern zeigte eine Rotationsanomalie, welche mit der des suprafluiden ⁴He vergleichbar ist.^[3][4] Paradoxerweise ist mit dem teilweisen Übergang in den suprafluiden Zustand eine Zunahme der Steifigkeit der Materie verbunden.^[5] Messungen der spezifischen Wärme am Übergangspunkt zur Rotationsanomalie deuten auf einen echten Phasenübergang.^[6]

Theorie

Kristallfehler (Stufenversetztung)

Als eine mögliche Ursache werden Leerstellen in ⁴He-Kristallen angesehen. Es wird diskutiert, ob diese Kristallfehler essenziell auch am absoluten Nullpunkt existieren^[7] oder ob sie auf experimentell verwendeten imperfekten Kristallen beruhen. Bei ausreichend niedrigen Temperaturen sind in suprasoliden Körpern wie im Bose-Einstein-Kondensat die Atome durch Überlagerung ihrer Wellenfunktionen und somit auch die Leerstellen im Kristall delokalisiert (Quantenkristall). Die Suprasolidität repräsentiert damit analog zum Bose-Gas und zur Suprafluidität eine Form des Bose-Einstein-Kondensats.

Nach der Erstveröffentlichung der Beobachtung der Suprasolidität wurden auch andere mögliche Ursachen in den Fachjournalen heftig und kontrovers diskutiert. Eine alternative Erklärung war eine nicht vollständig ausschließbare Verunreinigungen mit ³He im ppb-Bereich, die für die Suprafluidität verantwortlich sei^[8], während die kristalline Struktur nur in der ⁴He-Spezies zu finden ist. Ein gleichzeitiges Auftreten beider Phasen (suprafluid und fest) in derselben atomaren Spezies wäre dann nicht gegeben.

Einzelnachweise

1. ↑ Thouless DJ: The flow of a dense superfluid. In: Ann. Phys.. 51, 1969, S. 403-427.
2. ↑ Andreev AF, Lifshitz IM: Quantum theory of defects in crystals. In: Sov. Phys. JETP. 29, 1969, S. 1107-1113.
3. ↑ ^{a b} Kim E, Chan MH: Observation of superflow in solid helium. In: Science. 305, Nr. 5692, September 2004, S. 1941–4. doi:10.1126/science.1101501. PMID 15345778.
4. ↑ ^{a b} Kim E, Chan MH: Probable observation of a supersolid helium phase. In: Nature. 427, Nr. 6971, Januar 2004, S. 225–7. doi:10.1038/nature02220. PMID 14724632.
5. ↑ Day J, Beamish J: Low-temperature shear modulus changes in solid 4He and connection to supersolidity. In: Nature. 450, Nr. 7171, Dezember 2007, S. 853–6. doi:10.1038/nature06383. PMID 18064007.
6. ↑ Lin X, Clark AC, Chan MH: Probable heat capacity signature of the supersolid transition. In: Nature. 449, Nr. 7165, Oktober 2007, S. 1025–8. doi:10.1038/nature06228. PMID 17960238.
7. ↑ Anderson PW: Bose fluids above Tc: incompressible vortex fluids and ‘supersolidity’. In: Phys. Rev. Lett.. 100, 2008, S. 215301.
8. ↑ Kim E, Xia JS, West JT, Lin X, Clark AC, Chan MH: Effect of 3He impurities on the nonclassical response to oscillation of solid 4He. In: Phys. Rev. Lett.. 100, Nr. 6, Februar 2008, S. 065301. PMID 18352487.

Literatur

• A.J. Leggett: Can a Solid be “Superfluid”? Phys. Rev. Lett. 25, 1543 (1970); doi:10.1103/PhysRevLett.25.1543.
• G.V. Chester: Speculations on Bose-Einstein Condensation and Quantum Crystals. Phys. Rev. A 2, 256 (1970); doi:10.1103/PhysRevA.2.256.
• Balibar S: The enigma of supersolidity. In: Nature. 464, Nr. 7286, März 2010, S. 176–82. doi:10.1038/nature08913. PMID 20220834.
• Prokof’ev N.: What makes a crystal supersolid?. In: Adv. Phys.. 56, 2007, S. 381–402.
• Balibar S, Caupin F: Supersolidity and disorder. In: J. Phys. Condens. Matter. 20,, 2008, S. 173201.
• Galli DE, Reatto L: Solid ⁴He and the supersolid phase: from theoretical speculation to the discovery of a new state of matter? A review of the past and present status of research. In: J. Phys. Soc. Jpn. 77, 2008, S. 111010.